Australische Wissenschaftler haben eine rekordverdächtige Zink-Luft-Batterie aus wärmebehandelten 3D-Materialien und atomarer Kobaltdotierung entwickelt und bieten damit eine neue Lösung für die Zukunft sauberer Energiespeicherung. Ein Forschungsteam der Monash University in Melbourne hat einen neuen Katalysator vorgestellt, der die Leistung von Batterien der nächsten Generation steigern, ihre Lebensdauer verlängern und ihre Kosten senken soll. Dabei übertrifft er handelsübliche Katalysatoren aus teuren Metallen wie Platin und Ruthenium.

Die Studie wurde Berichten zufolge von Saeed Askari, einem Doktoranden der Universität, und Dr. Parama Banerjee, einem Dozenten am Institut für Chemie- und Bioingenieurwesen, geleitet. Sie nutzten eine Wärmebehandlung, um das 3D-Material in ultradünne Kohlenstoffschichten umzuwandeln. Askari sagte: „Indem wir Kobalt und Eisen zu einzelnen Atomen auf dem Kohlenstoffgerüst verarbeiteten, erreichten wir eine Rekordleistung bei Zink-Luft-Batterien und demonstrierten damit die Möglichkeit, Katalysatoren mit atomarer Präzision zu entwickeln.“

Zink-Luft-Batterien (ZABs) sind elektrochemische Metall-Luft-Zellen, die durch die Oxidationsreaktion von Zink mit Luftsauerstoff angetrieben werden. Sie bestehen aus einer Zinkmetallanode und einer Luftanode. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte, der geringen Kosten, der reichlichen Verfügbarkeit von Zink und ihrer Umweltfreundlichkeit entwickeln sich ZABs zu einer vielversprechenden Lösung für Anwendungen mit hoher Kapazität wie tragbare Elektronik, Elektrofahrzeuge und die Speicherung erneuerbarer Energien. ZABs sind jedoch in der Regel nicht wiederaufladbar. Forscher arbeiten daran, sie für den Einsatz in Elektrofahrzeugen und zur Energiespeicherung im großen Maßstab wiederaufladbar zu machen.

Die praktische Anwendung von Zink-Luft-Batterien steht derzeit vor zwei großen Herausforderungen: begrenzte Ausgangsleistung und schlechte Lade- und Entladestabilität. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, haben zwei Ingenieure der Monash University alle Leistungsrekorde für Zink-Luft-Batterien gebrochen. Sie nutzten eine Wärmebehandlung, um 3D-Materialien in Kohlenstoffplatten umzuwandeln und fügten Kobaltatome hinzu, wodurch eine schnellere und effizientere Lösung entstand. Mit Kobalt und Eisen als Kathodenmaterialien entstand im Experiment eine Batterie, die 74 Tage hielt und 3.570 Ladezyklen überstand. Askari erklärte, dass fortschrittliche Simulationen zeigten, dass die Kombination von Kobalt-Eisen-Atompaaren und Stickstoffdotierung den Ladungstransfer verbessern und die Reaktionskinetik optimieren kann, wodurch einer der größten Engpässe bei wiederaufladbaren Zink-Luft-Batterien beseitigt wurde.

Die Batterie zeigte eine außergewöhnliche Leistung und erreichte eine Leistungsdichte von 229,6 Milliwatt pro Quadratzentimeter und eine Energiedichte von 997 Wattstunden pro Kilogramm. Um das Design zu validieren, führten die beiden Forscher zwei Monate lang Dauertests durch. Banerjee erklärte: „Dass eine wiederaufladbare Zink-Luft-Batterie über zwei Monate ununterbrochen funktioniert, ist ein Meilenstein in diesem Bereich.“ Die Ergebnisse belegen die außergewöhnliche Leistung und Stabilität des wiederaufladbaren Zink-Luft-Systems. Banerjee erklärte, dass die Designprinzipien auch auf andere saubere Energietechnologien wie Brennstoffzellen, Wasserspaltung und Kohlendioxidumwandlung anwendbar seien.

Zink-Luft-Batterien werden derzeit vor allem in kleinen Geräten wie Hörgeräten eingesetzt. Ingenieure glauben jedoch, dass die neue Technologie die Tür zu wiederaufladbaren Hochleistungsanwendungen öffnen wird. Banerjee sagte, die Innovation markiere einen Wendepunkt in diesem Bereich und zeige, dass die Technologie bereit sei, über das Labor hinaus in die Praxis umgesetzt zu werden. Die Forschungsergebnisse wurden im Journal of Chemical Engineering veröffentlicht.